최대 지반 가속도

최대 지반 가속도(Peak ground acceleration, PGA)는 지진 발생 시 진동으로 지반이 움직인 최대 가속도를 의미한다. 즉 특정 지진이 일어났을 때 현장의 지진계 내 가속도계에 기록된 가장 큰 절대가속도값의 진폭과 같다.^[1] 지진의 진동은 남북, 동서, 위아래 3개 방향으로 모두 발생하는데 PGA도 수평 요소와 수직 요소로 나눌 수 있다. 보통 수평 방향 PGA이 수직 방향 PGA보다 크지만 큰 규모의 지진의 경우 그렇지 않은 경우도 있다. 지진의 진도와 관련이 있으며 단위는 보통 g(중력 가속도 단위) 또는 gal(cm/s²)를 이용한다.

PGA는 지형이나 지물, 지진계의 위치에 큰 영향을 받으므로 진원지에서 가속도는 다양하게 나타난다. 최대 지반 가속도를 표시할 때엔 진도 지도(shake map)을 이용해 표시한다. 지진 진도도 보통 이 최대 지반 가속도를 이용해 나타낸다.^[2]

공학적인 응용에서는 최대 수평 지반 가속도(peak horizontal acceleration, PHA)를 일반적으로 사용한다. 내진설계를 포함한 지진공학에서 자주 사용되며 보통 지진 위험 지도를 그리는 데 활용한다.^[3] 지진이 일어났을 때 건물과 기반시설의 피해는 지진 자체의 규모보다는 PGA의 측정 기준이 되는 지반 운동과 더 밀접한 관련이 있다. 중규모 지진에서는 PGA가 지진 피해를 결정하기에 합리적인 지표이긴 하지만, 강력한 규모의 지진인 경우 피해는 PGA보다는 최대 지반 속도(PGV)와 관련이 더 깊은 경우가 많다.^[2]

지구물리학

지진의 에너지는 진원에서부터 파동이 전파되며 지반을 모든 방향으로 움직이게 만들지만 보통 수평(전후좌우 2방향)과 수직 두가지로 모델링할 수 있다. PGA은 이런 지반 움직임의 가속도(속도의 변화율)를 기록하며, 최대 지반 속도는 지반이 도달한 최대 속도(이동 속도)이고 최대 변위는 지반이 움직인 폭을 의미한다.^[4][5] 이 세 값은 여러 가지 요인에 따라 바뀌기 때문에 지진마다, 그리고 한 지진이어도 측정한 위치마다 전부 다르다. 여기에는 단층의 길이, 지진 규모, 진원 깊이, 진원과의 거리, 지속 시간(흔들림의 주기), 지반의 지질 등의 요소가 있다. 진원 깊이가 얕은 천발지진에서는 지진파가 감쇠가 덜 된 상태에서 지표면에 도달하기 때문에 중발지진 및 심발지진보다 더 강한 흔들림(가속도)를 만들어낼 확률이 높다.^[6]

최대 지반 가속도는 소수점이 있는 g(지구의 표준 중력가속도, g포스와 동일) 혹은 백분율로 나타낸 %g, 아니면 m/s² (1 g = 9.81 m/s²)^[4]로 나타낼 수 있으며 그 외에도 gal(1 gal = 0.01 m/s², 1 g = 981 Gal)로 표기할 수 있다.

지반의 성질에 따라 지반 가속도에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 특히 중규모에서 대규모 지진의 경우 PGA은 수 km 거리 차이로 큰 차이를 보일 수 있다.^[7] 지진으로 관측된 지역별 PGA 값은 강진동 지도로 나타낼 수 있다.^[8] PGA에는 여러 복잡한 요소가 관계되어 있기 때문에 비슷한 규모의 지진이라도 서로 다른 PGA를 기록할 수 있으며 중간 규모의 지진이 큰 규모의 지진보다 훨씬 더 큰 PGA를 기록하는 경우도 있다.

지진이 발생하면 지반 가속도는 수직(상하를 의미하는 V 또는 UD로 표기) 방향과 2개의 수평 방향(H1, H2) 세 가지 방향으로 측정되며 이 중 수평 방향은 보통 남북(NS)와 동서(EW) 방향으로 측정한다. 이런 각각의 방향에서 최대 가속도가 기록되며 셋 중 가장 높은 값이 최대 지반 가속도로 측정되는 경우가 있다. 하지만 특정 지진관측소에서는 이 세 방향을 합친 합성 가속도값을 기록하는 경우도 있다. 이 중 더 높은 값을 가진 개별 가속도 성분을 선택하거나, 두 값의 평균을 취하거나, 구성 성분의 벡터합을 취해 합쳐 최대 수평 지반 가속도(PHA)를 계산하는 경우도 있다. 수직 성분도 고려해 3방향 성분의 합을 쓸 수도 있다.

지진 위험과 공학의 활용

지진학자들은 과거 지진에 대한 위험평가와 함께 지리적 탐구를 통해 지진 위험도를 결정하고 지진 발생 시 해당 지역에서 관측할 수 있는 최대 PGA값과 그 초과 확률(PE)를 보여주는 지진 위험 지도를 그릴 수 있다. 지진공학과 정부계획부서에서는 이 값을 사용해 각 구역의 건물에 적절한 지진하중을 결정하고 병원, 교량, 발전소 등 주요 건축물이 견뎌야 하는 최대고려지진(MCE)를 확인한다.

건물 피해는 최대 지반 속도와 그 지속시간에 연관이 깊으며 높은 수준의 흔들림이 계속될수록 건축물의 피해가 더 커진다.

진도와의 관계

최대 지반 가속도는 지진계의 가속도계에 기록된 지반의 흔들림 가속도값이다. 반면 진도는 직접 PGA을 이용하지 않는다면 목격자의 경험, 흔들린 감각, 관측된 피해 등을 기반으로 한 지진 체감을 가지고 평가하는 체계에 해당한다. 즉 진도와 최대 지반 가속도는 어느 정도 상관관계가 있지만 경험과 피해는 지진공학적 대비 정도 등 가속도와는 관계 없는 요소에도 영향을 받으므로 항상 같은 것은 아니다.

일반적으로,

• 0.001 g (0.01 m/s²)에서 사람이 감지할 수 있다.
• 0.02 g (0.2 m/s²)에서 사람이 균형을 잃는다.
• 0.50 g (5 m/s²)이상은 매우 강한 가속도로 지속시간이 짧다면 잘 설계된 건물이 버틸 수 있다.^[5]

수정 메르칼리 진도 계급

원래의 수정 메르칼리 진도 계급은 흔들리는 진폭, 흔들림의 주파수, 최대 지반 속도(PGV), 최대 지반 가속도(PGA)와 같은 객관적으로 정량화할 수 있는 측정값같이 엄격하게 정의되지 않았다. 다만 사람이 인지하는 흔들림과 건축물의 손상은 흔들린 강도가 낮을 경우 최대 지반 가속도와, 흔들린 강도가 강할 경우 최대 지반 속도와의 연관성이 높다.^[9]

다만 대한민국 기상청에서는 2018년 11월부터 자체적인 수정 메르칼리 진도 계급을 마련해, 최대 진도를 발표할 때 최대 지반 속도와 가속도에 따라 진도를 결정하는 계기진도체계를 갖추고 있다. 아래는 대한민국 기상청이 전국 각 지역의 유감진도(사람이 느끼는 정도) 및 피해진도(지진 피해의 정도)와 실제 진동 관측값 사이의 관계식을 산출하여 각 진도 등급에 해당하는 구간값을 재설정해 만든 수정 메르칼리 진도와 그에 따른 최대 지반 속도, 가속도의 관계를 나타낸 표이다.^[10] 최대 지반 가속도의 경우 단위가 %g(1%g=0.01g=9.81gal)로, 갈(gal)로 환산할 경우 %g를 9.81로 곱하면 된다.

진도에 따른 최대 지반 속도와 가속도
(대한민국 기상청 기준)

진도	최대 지반 가속도 (단위: %g=9.81cm/sec2)	최대 지반 속도 (단위: cm/sec)
I	%g<0.07	V<0.03
II	0.07≤%g<0.23	0.03≤V<0.07
III	0.23≤%g<0.76	0.07≤V<0.19
IV	0.76≤%g<2.56	0.19≤V<0.54
V	2.56≤%g<6.86	0.54≤V<1.46
VI	6.86≤%g<14.73	1.46≤V<3.7
VII	14.73≤%g<31.66	3.7≤V<9.39
VIII	31.66≤%g<68.01	9.39≤V<23.85
IX	68.01≤%g<146.14	23.85≤V<60.61
X	146.14≤%g<314	60.61≤V<154
XI 이상	314≤%g	154≤V

주요 지진의 PGA

PGA 단일 방향 (최대 기록)	PGA 벡터합 (H1, H2, V) (최대 기록)	Mw	깊이	사망자	지진
3.23 g[11]		7.8	15 km	2	2016년 카이코우라 지진
2.88 g[12]		7.5	16 km	376	2024년 노토반도 지진
2.7 g[13]	2.99 g[14][15]	9.1[16]	30 km[17]	19,759[18]	2011년 도호쿠 지방 태평양 해역 지진
3.94 g[19]	4.36 g[19][20]	6.9	8 km	12	2008년 이와테·미야기 내륙지진 (세계 관측 사상 가장 큰 PGA를 기록)
1.92 g[21]		7.7	8 km	2,415	1999년 921 대지진
1.82 g[22]		6.7	18 km[23]	57	1994년 노스리지 지진
1.81 g[24]		9.5	33 km	1,000–6000	1960년 발디비아 지진
1.62 g[25]		7.8	10 km	57,658	2023년 튀르키예-시리아 지진
1.51 g[26][27]		6.2[28]	5 km	185	2011년 2월 크라이스트처치 지진
1.26 g[29][30]		7.1	10 km	0	2010년 캔터베리 지진
1.25 g[31]		6.6	8.4 km	58–65	1971년 산페르난도 지진
1.04 g[32]		6.6	10 km	11	2007년 니가타현 주에쓰 해역 지진
0.98 g[33]		7.0	16.1 km	118	2020년 에게해 지진
0.91 g		6.9	17.6 km	5,502–6,434	1995년 효고현 남부 지진
0.8 g[34]		7.2	12 km	222	2013년 보홀주 지진
0.65[35]		6.9	19 km	63	1989년 로마프리타 지진
0.5 g[36]		7.0	13 km	100,000–316,000	2010년 아이티 지진
0.34 g[37]		6.4	15 km	5,778	2006년 5월 자와섬 지진
0.18 g[38]		9.2	25 km	131	1964년 알래스카 지진

같이 보기

• 수정 메르칼리 진도
• 일본 기상청 진도 계급